張自忠與徐祖詒、龐炳勛緊急磋商，決定縮短戰(zhàn)線，東部防衛(wèi)依舊由龐炳勛四十軍擔(dān)任，五十九軍據(jù)守八里屯七溝、小嶺、古城、任埠一線。軍部移駐白衣莊。

徐祖詒電報(bào)李宗仁上述情況，并報(bào)稱(chēng)，龐軍已基本喪失戰(zhàn)斗力，臨沂主要靠五十九軍支撐，但傷亡極重，且極為疲困，士氣受到影響，故請(qǐng)速派援軍。

李宗仁即派三十二軍一三九師黃光華部、五十七軍三三三旅及湯恩伯部騎兵團(tuán)馳援。

27日，板垣征四郎親自坐鎮(zhèn)，指揮第五師主力向五十九軍發(fā)動(dòng)多路進(jìn)攻，攻擊大嶺、小嶺、北道、南沙埠、古城，為配合這次攻擊，還出動(dòng)了大批飛機(jī)、坦克、野炮、山炮。

張自忠東抽西調(diào)，分頭迎敵。大嶺、小嶺方面戰(zhàn)斗尤為激烈，敵機(jī)往復(fù)轟炸，并以密集炮火進(jìn)行轟擊，村中房屋著火燃燒，硝煙彌空。日軍在炮火掩護(hù)下多次發(fā)起沖鋒，三十八師在此地的一個(gè)團(tuán)和另一個(gè)營(yíng)大部傷亡，陣地岌岌可危。一向沉穩(wěn)、老練的黃維綱師長(zhǎng)，不得不向軍部求援。

張自忠命令：“你們要堅(jiān)決頂住。我們困難，敵人更困難。要堅(jiān)持最后5分鐘！我已命令劉振三師派1個(gè)團(tuán)從諸葛城向敵左側(cè)進(jìn)攻，支援你師一一二旅方面作戰(zhàn)，不久即可到達(dá)?！?/p>

黃維綱焦急地說(shuō)：“軍長(zhǎng)，問(wèn)題是正面部隊(duì)有頂不住的樣子，眼下實(shí)在沒(méi)人可調(diào)了?！?/p>

張自忠一瞪眼，發(fā)火了：“沒(méi)有人嗎？為什么還有人說(shuō)話？”

黃師長(zhǎng)一聽(tīng)，二話沒(méi)說(shuō)，電話一擱，到前線督戰(zhàn)去了。

張自忠深知黃維綱的性格，不到萬(wàn)分緊急他不會(huì)輕易求援。因此把手頭僅有的軍部手槍營(yíng)和六七六團(tuán)和二營(yíng)緊急集合起來(lái)，由他親自率隊(duì)支援。三十八師官兵見(jiàn)軍長(zhǎng)親臨督戰(zhàn)，士氣倍增，戰(zhàn)線也穩(wěn)定下來(lái)。

張自忠在陣地上通過(guò)敵人火力觀察，看出日軍右翼較弱，他即命令組織小部隊(duì)向敵人左翼佯攻，以吸引敵人火力。另以一個(gè)加強(qiáng)連組成敢死隊(duì)由小嶺村后悄然繞至敵右側(cè)翼，突然發(fā)起襲擊。敵人猝然受到攻擊大驚，敢死隊(duì)沖入敵群中，大刀狂揮，左砍右劈，猛烈沖殺，上百名日軍頃刻成了刀下鬼，其余日軍，嚇得魂飛魄散。正面守軍，乘機(jī)出擊，日軍潰敗而逃。

日軍在大嶺、小嶺受挫，又轉(zhuǎn)向前后崗頭、古城等地對(duì)一八○師發(fā)動(dòng)攻擊，兩度攻入前后崗頭村內(nèi)，都被一八○師奮力擊退。但古城卻被敵人占領(lǐng)。

28日，日軍又增兵千余，繼續(xù)猛攻小嶺、南沙埠、北道及前后崗頭等地。

在師勞兵疲和極度消耗下，裝備精良的千余日軍生力援兵對(duì)五十九軍造成極大壓力。但龐炳勛此次居然按兵不動(dòng)以保全實(shí)力。五十九軍孤軍苦戰(zhàn)，蒙受巨大傷亡，被迫放棄小嶺。

兩個(gè)星期連續(xù)不斷的殘酷戰(zhàn)斗，局勢(shì)十分嚴(yán)峻，使張自忠和五十九軍，經(jīng)受前所未有的沉重、嚴(yán)峻考驗(yàn)。長(zhǎng)時(shí)間的鏖戰(zhàn)，使官兵們?cè)隗w力上、精神上都受到極大影響，戰(zhàn)斗力明顯下降。依靠他們自身的意志力幾乎難以支持下去。這對(duì)張自忠是一個(gè)十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如果他不能有效地恢復(fù)士氣，不僅兩周來(lái)的奮戰(zhàn)，上萬(wàn)名弟兄的熱血都將付之東流，前功盡棄，使這支部隊(duì)將徹底垮掉，從此一蹶不振。后果不堪設(shè)想。

在如此巨大壓力下，張自忠表現(xiàn)了非凡的勇氣和堅(jiān)韌的精神。他馬不停蹄地奔波于各個(gè)陣地，激勵(lì)官兵，同官兵們一起戰(zhàn)斗。他鏗鏘有力、充滿激情的訓(xùn)話和身先士卒、英勇無(wú)畏的英雄氣慨，感染了全體官兵，使他們內(nèi)心的希望之火和勝利信心始終燃燒著。他們苦苦撐持等待援軍。

但是，作為援軍主力的三十二軍一三九師黃光華部，卻玩弄保存實(shí)力的故伎（注：黃光華在1933年長(zhǎng)城戰(zhàn)役時(shí)就玩弄這一手，致使長(zhǎng)城要隘冷口失守，使日軍突入長(zhǎng)城內(nèi)，令防守喜峰口一帶的宋哲元、張自忠不得不在勝利的情況下飲恨撤兵。此次他又故伎重演，按兵不動(dòng)，以保存自己實(shí)力，殊為可恨。）

援兵不至，使張自忠五十九軍咬牙苦撐，殊死奮戰(zhàn)，傷亡慘重。

后來(lái)黃光華的劣跡被戰(zhàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)，明令將其撤職法辦，黃某悔恨已晚。但其為抗日造成之損失實(shí)無(wú)法彌補(bǔ)。其行為實(shí)以漢奸賣(mài)國(guó)賊無(wú)異，故依法懲辦也是罪有應(yīng)得，罪不可逭。

援兵盼不到，卻盼來(lái)了陳調(diào)元率領(lǐng)的中央軍事委員會(huì)勞軍團(tuán)，這對(duì)于士氣多少有些鼓舞。

在援兵不到的情況下，張自忠只好再次縮短戰(zhàn)線，集中兵力扼守臨沂城以西以北韋家屯、曹家、七得、十里鋪、王莊、前后道溝、崗頭一線。

日軍第五師自對(duì)臨沂發(fā)起進(jìn)攻以來(lái)，苦戰(zhàn)經(jīng)旬，卻被裝備低劣的中國(guó)軍隊(duì)所阻，不能越雷池一步。此時(shí)此刻，日本鐵軍卻顯得如此無(wú)用，據(jù)當(dāng)時(shí)日本雜志透露，板垣征四郎又羞又惱，幾欲自殺。

29日，他再命令坂本支隊(duì)在援軍配合下猛攻前后崗頭，企圖突破臨沂西側(cè)防線。

張自忠督率一八○師拼死反擊，寸土不讓。他在給李宗仁電報(bào)中說(shuō)：“職一息尚存，決與敵奮戰(zhàn)到底?！?/p>

在援軍遲遲不到的情況下，五十九軍又孤軍奮戰(zhàn)了一整天，頂住了日軍的猖狂進(jìn)攻。

在兩次臨沂大戰(zhàn)中五十九軍傷亡達(dá)一萬(wàn)余人，尤其是第二次臨沂戰(zhàn)役，從25日到29日，每天傷亡均在千人以上。